CN115148983A - 一种锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种兼具优异的动力学性能、循环性能和高温性能的锂离子电池。本发明所述锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜以及电解液，控制所述正极活性材料的无定形碳包覆量Ta值为0.5%‑5%，所述负极活性材料的无定形碳包覆量Tb值为0.5%‑10%，且满足如下关系式：0.05≤Ta/Tb≤10。本发明所述锂离子电池，通过设计合适的正、负极材料表面的无定形碳包覆量，使得锂离子在充放电过程中的具有较优的嵌脱能力，且合适的碳包覆量平衡材料的动力学和高温性能，提升整体材料体系的快充和高温性能。

Description

一种锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种兼具优异的动力学性能、循环性能和高温性能的锂离子电池。
背景技术
二次电池（Rechargeable battery）又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。充电电池的充放电循环可达数千次到上万次，故其相对干电池而言更经济实用。目前，市场上主要的充电电池有镍氢电池、镍镉电池、铅酸（或铅蓄）电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池等，尤其是锂离子电池的应用尤为广泛，并对锂离子电池的应用性能提出了更高的要求。
目前，随着市场对锂离子电池应用要求的提高，尤其是为了满足北方冬天的低温需求，对锂离子电池的低温性能提出更高的要求，因此，兼具优异的低温放电性能和低温循环性能的锂离子电池成为首选产品。据研究，由于正极磷酸铁锂自身为半导体需要在其表面包覆无定形碳降低阻抗，且石墨材料为层状结构，导致锂离子嵌脱速度慢，在其表面包覆的无定形碳一方面依靠无定形碳充放电过程的高的扩散速率（扩散速率为石墨的10倍左右）提升锂离子的嵌脱速率。而由于正负极不同的碳包覆量对降低正负极阻抗的效果不同，因此选取合适的正极碳包覆量、负极碳包覆量及其两者之间的合适比例显得非常必要，使其电池在倍率、循环、高温存储之间保持平衡。因此，如何平衡正、负极材料之间的动力学性能对于锂离子电池的性能至关重要。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种兼具优异的动力学性能、循环性能和高温性能的锂离子电池，所述锂离子电池能很好平衡正负极碳包覆量及其比例，使锂离子电池同时兼顾优异的动力学性能、循环性能和高温性能。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜以及电解液；
所述正极极片包括正极活性材料以及包覆的无定形碳；
所述负极极片包括负极活性材料以及包覆的无定形碳；
所述正极活性材料中无定形碳包覆量Ta值与所述负极活性材料中无定形碳包覆量Tb值满足如下关系：0.05≤Ta/Tb≤10。
其中，所述Ta值和Tb值的测试方法采用TG测试无定形碳的包覆量（简称残碳量）。
具体的，所述锂离子电池中：
所述正极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Ta值为0.5-5wt%；
所述负极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Tb值为0.5-10wt%。
优选的，所述锂离子电池中，所述正极活性材料中无定形碳包覆量Ta值与所述负极活性材料中无定形碳包覆量Tb值满足如下关系：0.2≤Ta/Tb≤3。
优选的，所述锂离子电池中：所述正极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Ta值为1-3wt%；
所述负极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Tb值为1-5wt%。
本发明所述方案中，所述正极材料和负极材料的碳包覆处理为按照传统的包覆方式并选择传统包覆材料即可，选择的包覆方法和包覆材料并不影响锂离子电池的性能。
优选的，所述锂离子电池中，所述正极活性材料的比表面积为2-30m2/g，所述正极活性材料的粒度D50为0.1-10µm。
优选的，所述锂离子电池中，所述负极活性材料的比表面积为0.5-3m2/g，所述负极活性材料的粒度D50为5-30µm。
具体的，所述的锂离子电池中：
所述正极极片包括正极集流体以及设置在所述正极集流体至少一个表面上的至少由所述正极活性材料形成的正极膜片；
所述负极极片包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的至少由所述负极活性材料形成的负极膜片。
优选的，所述锂离子电池中，所述正极活性材料包括磷酸铁锂或磷酸锰铁锂中的至少一种。
优选的，所述锂离子电池中，所述负极活性材料包括人造石墨、天然石墨或硅碳中的至少一种。
优选的，所述锂离子电池中，所述电解液包括六氟磷酸锂或高氯酸锂中的至少一种。
本发明所述锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜以及电解液。本发明所述锂离子电池，通过控制所述正极活性材料的无定形碳包覆量Ta值为0.5%-5%，所述负极活性材料的无定形碳包覆量Tb值为0.5%-10%，使得所述正极材料和负极材料获得适宜的导电性能，尤其是通过控制Ta和Tb之间的比例关系满足0.05≤Ta/Tb≤10，以获得正极材料和负极材料之间的动力学平衡。本发明所述锂离子电池，通过设计合适的正、负极材料表面的无定形碳包覆量，使得锂离子在充放电过程中具有较优的嵌脱能力，且合适的碳包覆量平衡材料的动力学和高温性能，提升整体材料体系的快充和高温性能。
本发明所述锂离子电池，通过在磷酸铁锂表面包覆碳源降低阻抗和改善低温性能，在石墨的表面包覆无定形碳提升低温性能，且正、负极材料不同的碳包覆量对材料及其电池的性能影响较大。申请人研究显示，如果正极磷酸铁锂的碳包覆量太高，材料的阻抗较低，但却会降低其正极克容量的发挥，并降低其电池的高温存储性能；而如果正极磷酸铁锂的碳包覆量太低，则会因为阻抗较大而导致电池的倍率性能太差，也降低循环性能。如果负极的碳包覆量太低，会导致电池的倍率性能偏差；但当负极石墨的碳包覆量偏高，虽然电池的低温性能有所改善但却会降低其高温性能。更重要的是，申请人在实践中发现，通过控制所述正极活性材料和负极活性材料之间的包覆量比例，能够更好地实现电池内部的动力学平衡，有助于大幅提高锂离子电池的应用性能。
因此，本发明所述锂离子电池，通过选择合适的正负极材料的碳包覆量，使电池达到在功率性能、能量密度、低温性能、高温性能及其循环性能之间的平衡，有效提高了锂离子电池的综合应用性能。
具体实施方式
本发明如下实施例1-7及对比例1-7方案中所述锂离子软包电池的制备方法如下：分别按照表1-2所述实施例1-7及对比例1-7中限定的石墨负极复合材料作为负极材料，制备出负极极片；分别按照实施例1-7及对比例1-7中磷酸铁锂为正极，以LiPF6溶液（浓度1.1mol/L）为电解液，溶剂为体积比1：1的EC（碳酸乙烯酯）+DEC（碳酸二乙酯），celegard2400为隔膜，依次制备得到5Ah软包电池。
本发明如下实施例1-7及对比例1-7方案中，涉及的正极活性材料和负极活性材料的相关参数检测指标及方法包括：
负极活性材料按照国家标准GB/T-24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》测试上述负极材料的粒度、比表面积及比容量参数；
正极活性材料按照国家标准GB/T-30835-2014《锂离子电池用碳复合磷酸铁锂正极材料》测试上述正极材料的粒度、比表面积及比容量参数；
按照国家标准DB35/T 1558-2016 热重分析法（TGA）测试正负极材料的碳含量。
表1实施例1-7特征方案
Figure 524589DEST_PATH_IMAGE001
表2对比例1-7特征方案
Figure 304326DEST_PATH_IMAGE002
本发明上述实施例1-7及对比例1-7中锂离子电池的性能测试指标及测试方法包括：
软包电池的循环性能：1C/1C，2.5-3.65V，25±3℃；
软包电池的倍率性能：1C恒流比，恒流容量/（恒流容量+恒压容量）；
软包电池的高温存储：对锂离子电池以0.1C的倍率充电到3.65V，测试其容量为A0，之后在温度为55±3℃放置7天，在常温下测试其电池的容量A1，之后再充电到3.65V，并测试其容量A2，计算出容量恢复=A2/A0*100%，以此表征电池的高温存储性能。
测试结果记录于下表3。
表3锂离子电池性能测试结果
Figure 325634DEST_PATH_IMAGE003
由表3数据可以看出，本发明实施例1-7方案中所述锂离子电池，通过调整正极材料和负极材料中无定型碳的包覆量，使得所述正极和负极材料的无定型碳包覆量均在适宜的范围内，以获得适宜的导电性能，尤其是通过控制正极材料无定型碳包覆量和负极材料无定型碳包覆量的比例，使得所述正极材料和负极材料之间的导电性形成良好的动力学平衡，进而有效提高了材料的循环性能、高温性能等应用性能。
经测试数据显示，如果正极磷酸铁锂的碳包覆量太高，如对比例2、5和7中方案，会降低其正极克容量的发挥，并降低其电池的高温存储性能；而如果正极磷酸铁锂的碳包覆量太低，如对比例3和6中方案，会导致电池的倍率性能太差，也降低循环性能。如果负极的碳包覆量太低，如对比例4和6中方案，会导致电池的倍率性能偏差；但当负极石墨的碳包覆量偏高，如对比例1方案，则会降低其高温性能。而更重要的是，申请人在实践中发现，通过控制所述正极活性材料和负极活性材料之间的无定型碳包覆量的比例，能够更好地实现电池内部的动力学平衡，有助于大幅提高锂离子电池的应用性能。而如本发明对比例2和4中方案，较大的Ta值和较低的Tb值，导致Ta/Tb比例值较大，直接影响所述电池的导电性能平衡，所述电池的应用性能影响更大。
因此，本发明所述锂离子电池，通过选择合适的正、负极材料的碳包覆量，尤其是控制正负极材料之间的碳包覆量平衡，可以实现正负极材料的能量密度、高温存储、倍率和循环性能之间的平衡，有效提高了锂离子电池的应用性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极极片、负极极片、隔离膜以及电解液；
所述正极极片包括正极活性材料以及包覆的无定形碳；
所述负极极片包括负极活性材料以及包覆的无定形碳；
所述正极活性材料中无定形碳包覆量Ta值与所述负极活性材料中无定形碳包覆量Tb值满足如下关系：0.05≤Ta/Tb≤10。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：
所述正极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Ta值为0.5-5wt%；
所述负极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Tb值为0.5-10wt%。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料中无定形碳包覆量Ta值与所述负极活性材料中无定形碳包覆量Tb值满足如下关系：0.2≤Ta/Tb≤3。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于：
所述正极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Ta值为1-3wt%；
所述负极活性材料中，所述无定形碳的包覆量Tb值为1-5wt%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料的比表面积为2-30m2/g，所述正极活性材料的粒度D50为0.1-10µm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性材料的比表面积为0.5-3m2/g，所述负极活性材料的粒度 D50为5-30µm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于：
所述正极极片包括正极集流体以及设置在所述正极集流体至少一个表面上的至少由所述正极活性材料形成的正极膜片；
所述负极极片包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的至少由所述负极活性材料形成的负极膜片。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料包括磷酸铁锂或磷酸锰铁锂中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性材料包括人造石墨、天然石墨或硅碳中的至少一种。
10.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液包括六氟磷酸锂或高氯酸锂中的至少一种。
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